X-Y数控工作台机电系统设计概述
X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵－横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。
模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。
一、设计任务
题目：X-Y数控工作台机电系统设计
任务：设计一种供立式数控铣床用的X-Y数控工作台，主要参数如下：
1) 立铣刀最大直径d=15mm； 2) 立铣刀齿数Z=3； 3) 最大铣削宽度ae=15mm； 4) 最大背吃刀量ap=8mm； 5) 加工材料为碳素钢或有色金属；
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6) X、Y方向的脉冲当量δx=δy=0.005mm/脉冲； 7) X、Y方向的定位精度均为±0.01mm；
8) 工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范围为250mm×250mm； 9) 工作台空载最快移动速度vxmax=vymax=3000mm/min； 10) 工作台进给最快速度vxmaxf=vymaxf=400mm/min； 二、总体方案的确定 1. 机械传动部件的选择
（1）导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
（2）丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。
（3）减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
（4）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未到达微米级，空载最快移动速度也只有
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3000mm/min。因此，不必采用高档的伺服电动机，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。
（5）检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。
2. 控制系统的设计
1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。
2)对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书的相关指标。
3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示器、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。
4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 三、机械传动部件的计算与选型
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1．导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计质量约为800N。
2．铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工作的材料为碳钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：
0.850.75?0.731.00.13Fc?118aefzdapnZ (6-11)
今选择铣刀的直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=8mm，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。则由式(6-11)求得最大铣削力：
Fc?118150.850.10.7515?0.7381.03000.133?1463N
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=1.1Fc≈1609N，Fe=0.38Fc≈556N，Ffn=0.25Fc≈366N。图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=1609N，径向铣削力Fy=Ffn=366N。
3．直线滚动导轨副的计算与选型
(1)滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取 工作载荷是
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影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因数。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：
Fmax?G?F (6-12) 4其中，移动部件重量G=800N，外加载荷F=Fz= 556N，代入式(6-12)，得最大工作载荷Fmax=756N=0.756kN。
查表3-41，根据工作载荷Fmax=0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷Ca=9.5kN。
任务书规定工作台面尺寸为230mm×230mm,加工范围250mm×250mm,考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。
(2)距离额度寿命L的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36~表3-40，分别取硬度系数fH=1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fC=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=0.9，代入式(3-33), 得距离寿命：
?ffffC?L??HTCRa??50?6649km
fWFmax??3远大于期望值50km，故距离额额定寿命满足要求。 4．滚珠丝杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷Fm的计算 如前页所述，在立铣时，工作台
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